stężenia zanieczyszczeń w ściekach deszczowych dla wybranej

Proceedings of ECOpole
DOI: 10.2429/proc.2012.6(2)099
2012;6(2)
Katarzyna M. JAROMIN-GLEŃ1, Marcin K. WIDOMSKI1, Grzegorz ŁAGÓD1
i Wojciech MAZUREK2
STĘŻENIA ZANIECZYSZCZEŃ W ŚCIEKACH DESZCZOWYCH
DLA WYBRANEJ ZLEWNI MIASTA LUBLIN
CONCENTRATIONS OF POLLUTANTS IN STORM WASTEWATER
FOR SELECTED CATCHMENT IN LUBLIN, POLAND
Abstrakt: Modelowanie numeryczne jakości ścieków opadowych staje się coraz bardziej popularnym
i użytecznym narzędziem wykorzystywanym w celu oceny wpływu zanieczyszczeń transportowanych
w kanalizacji deszczowej na wody odbiornika, którym z reguły są rzeki. Jednakże dokładność obliczeń
numerycznych zależy bezpośrednio od zebranych i wprowadzonych do modelu danych wejściowych oraz
prawidłowej jego kalibracji. Niezbędne dane wejściowe modelu obejmują charakterystyki oraz współczynniki
równań empirycznych, dotyczące analizowanych zanieczyszczeń zmywanych ze zlewni. Praca przedstawia analizę
stężeń wskaźników zanieczyszczeń w wodach deszczowych zrzucanych do rzeki Bystrzycy ze zlewni mającej
swoje ujście przy ulicy Muzycznej w Lublinie w miesiącach letnich roku 2011. W zakres pracy wchodzą opis
wybranych charakterystyk analizowanej zlewni oraz charakterystyka analizowanego opadu. Pomiary jakościowe
ścieków deszczowych odprowadzanych do odbiornika obejmują ChZT, BZT5, mętność, barwę, zawiesinę ogólną,
zawiesinę łatwo opadającą, stężenie O2, temperaturę oraz pH. Zmiany w jakości ścieków zostały omówione
w zależności od właściwości deszczu. Prezentowane wyniki pomiarów są pierwszym krokiem na drodze budowy
i kalibracji modelu komputerowego wymaganym dla miarodajnego prognozowania wpływu ścieków deszczowych
analizowanej zlewni na jakość odbiornika - rzeki Bystrzycy.
Słowa kluczowe: jakość wód opadowych, wskaźniki zanieczyszczeń, kanalizacja deszczowa, modelowanie
numeryczne
Projektowanie i eksploatacja miejskich systemów kanalizacji deszczowej jest
złożonym i wymagającym zagadnieniem inżynierskim, zwykle przysparzającym liczne
problemy ze względu na: występujące często powiększenie powierzchni zlewni, zmianę
stopnia uszczelnienia odwadnianych powierzchni, wzrost natężenia spływu
powierzchniowego. Idą za tym zmiany przepływu ścieków deszczowych oraz ładunków
przenoszonych zanieczyszczeń, wynikające ze zmiany powierzchni i charakteru zlewni [1].
Koniecznością eksploatacyjną jest zapewnienie odpowiednich warunków przepływu
ścieków deszczowych w przewodach kanalizacyjnych, mających na celu samoczynne
płukanie przewodów oraz usuwanie nagromadzonych osadów przez przepływające ścieki
[2, 3].
Ścieki deszczowe, jak wykazują badania literaturowe, w zależności od rodzaju
i sposobu wykorzystania odwadnianej powierzchni zurbanizowanej przenoszą znaczne
stężenia zanieczyszczeń, tj. zawiesinę ogólną, ChZT, BZT5, związki azotu, metale ciężkie
oraz związki ropopochodne [4-8]. W związku z tym, zgodnie z Ramową Dyrektywą Wodną
[9], w wielu przypadkach w krajach europejskich dąży się do ograniczenia stosowania
kanalizacji deszczowej na rzecz zatrzymywania i oczyszczania ścieków deszczowych
w miejscu ich powstawania w celu zachowania dotychczasowej jakości wód odbiorników
1
Wydział Inżynierii Środowiska, Politechnika Lubelska, ul. Nadbystrzycka
email: [email protected]
2
Instytut Agrofizyki, Polska Akademia Nauk, ul. Doświadczalna 4, 20-290 Lublin
40B,
20-618
Lublin,
726
Katarzyna M. Jaromin-Gleń, Marcin K. Widomski, Grzegorz Łagód i Wojciech Mazurek
ścieków [10, 11]. Stąd analiza wpływu zwiększonego zrzutu ścieków deszczowych na
jakość wód odbiornika, przeprowadzona zarówno dla istniejącej, jak i projektowanej
kanalizacji deszczowej, wydaje się koniecznością [12].
Znacznym ułatwieniem w analizie wpływu ścieków deszczowych na wody
odbiorników może okazać się zastosowanie modelowania numerycznego. Umożliwia ono
wariantowe analizy funkcjonowania kanalizacji deszczowej dla zróżnicowanych opadów
oraz różnorodnego sposobu odwadniania i podłączania nowych zlewni o różnym stopniu
uszczelnienia powierzchni. Jednakże dokładność obliczeń numerycznych zależy
bezpośrednio od zebranych i wprowadzonych do modelu danych wejściowych oraz
prawidłowej jego kalibracji. Niezbędne dane wejściowe modelu obejmują charakterystyki
oraz współczynniki równań empirycznych dotyczące analizowanych zanieczyszczeń
zmywanych ze zlewni [13-18]. Pierwszym krokiem w przygotowywaniu modelu
jakościowego pracy sieci kanalizacji deszczowej jest więc, poza określeniem właściwości
opadów występujących na terenie modelowanej zlewni, wyznaczenie charakterystyk
jakościowych wód deszczowych trafiających do odbiornika.
Praca przedstawia analizę stężeń wskaźników zanieczyszczeń w wodach deszczowych
zrzucanych do rzeki Bystrzycy ze zlewni, mającej swoje ujście przy ulicy Muzycznej
w Lublinie w wybranym miesiącu letnim roku 2011. W zakres pracy wchodzą opis
wybranych charakterystyk analizowanej zlewni oraz charakterystyka analizowanych
opadów. Pomiary jakościowe ścieków deszczowych odprowadzanych do odbiornika
obejmowały ChZT, BZT5, mętność, zawiesinę łatwoopadającą, stężenie O2, zawartość
azotu amonowego, azotynów, azotanów, temperaturę oraz pH.
Materiał i metody
Badana zlewnia znajduje się w centralnej części miasta Lublina na zachodnim brzegu
rzeczki Bystrzycy. Na terenie zlewni znajdują się obszary o różnym przeznaczeniu
urbanistycznym, tj. osiedla mieszkaniowe zabudowy wysokiej i średniej, dzielnice
zabudowy niskiej, jednorodzinnej, tereny usługowe i rekreacyjne, parki, place, boiska
sportowe oraz liczne ciągi komunikacyjne. Ścieki deszczowe z badanej zlewni
odprowadzane są bezpośrednio poprzez system kanalizacji deszczowej do rzeki Bystrzycy
(42,4 km biegu rzeki). Zrzut ścieków do odbiornika jest realizowany poprzez przewód
kołowy o średnicy 1500 mm.
Niniejsze badania obejmowały określenie podstawowych charakterystyk jakościowych
ścieków deszczowych zrzucanych do rzeki Bystrzycy w lipcu 2011 r.: zawiesinę
łatwoopadającą, BZT5, ChZT, stężenie O2, pH, mętność, zawartość azotu amonowego,
azotynów, azotanów. Pomiary mętności, zawiesiny łatwoopadającej oraz zawartości form
azotu w ściekach deszczowych przeprowadzono za pomocą spektrofotometru HACH
DR2800 firmy HACH-Lange. Kolejno stężenia O2, temperatura i pH pomierzono HQ40D,
multi-Versatile, HACH-Lange. Natomiast ChZT i BZT5 badano zgodnie z wytycznymi
zawartymi w polskich normach PN-EN ISO 8467:2001 i PN-EN 1899-1:2002. Pomiary
hydrometryczne wysokości deszczu prowadzono za pomocą deszczomierza ARG100
o powierzchni zbierającej 507 cm2. Sumy godzinowe rejestrowane były przez datalogger
DL2e firmy Delta-T Devices. Wartość maksymalna wysokości opadu osiągnęła 40,3 mm,
Stężenia zanieczyszczeń w ściekach deszczowych dla wybranej zlewni miasta Lublin
727
natomiast wysokość minimalna 0,2 mm, ponadto suma opadów w lipcu 2011 r. wyniosła
196,4 mm w czasie 15 dni, w których występował opad.
Analizę statystyczną uzyskanych wyników, obejmującą ocenę korelacji przebiegu
zmienności wartości badanych charakterystyk w funkcji czasu wykonano za pomocą
programu Statistica PL.
Wyniki i dyskusja
Wyniki przeprowadzonych analiz obejmujące zmienność stężeń badanych
zanieczyszczeń ścieków deszczowych w funkcji czasu (lipiec 2011 r.), zestawione
z wysokością dobowych opadów atmosferycznych zostały przedstawione na rysunkach 1-3.
ChZT [mgO2/dm3]
160
9.5
120
30
9
20
8.5
10
8
0
80
40
7.5
BZT5, ChZT [mgO2/dm3]
Opad dobowy [mm]
40
10
Opad dobowy [mm]
pH [-]
BZT5 [mgO2/dm3]
pH [-]
50
0
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Lipiec, 2011
Rys. 1. Zmiana wartości stężeń pH, BZT5 oraz ChZT w zależności od dobowego opadu
Fig. 1. Change of pH, BOD5 and COD concentration, depending on daily precipitation
ChZT [mgO2/dm3]
Opad dobowy [mm]
40
2
1.6
30
1.2
20
0.8
10
0.4
0
0
160
120
80
40
BZT5, ChZT [mgO2/dm3]
Opad dobowy [mm]
Zawiesina latwoopadajaca [ml]
BZT5 [mgO2/dm3]
Zawiesina latwoopadajaca [ml]
50
0
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Lipiec, 2011
Rys. 2. Zmiana wartości stężeń zawiesiny łatwoopadającej (RSS), BZT5 oraz ChZT w zależności od dobowego
opadu
Fig. 2. Change of RSS, BOD5 and COD concentration, depending on daily precipitation
Katarzyna M. Jaromin-Gleń, Marcin K. Widomski, Grzegorz Łagód i Wojciech Mazurek
Opad dobowy [mm]
Metnosc [NTU]
BZT5 [mgO2/dm3]
ChZT [mgO2/dm3]
Opad dobowy [mm]
40
1000
160
800
120
30
600
20
400
10
200
0
0
80
40
BZT5, ChZT [mgO2/dm3]
50
Metnosc [NTU]
728
0
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Lipiec, 2011
Rys. 3. Zmiana wartości stężeń mętności, BZT5 oraz ChZT w zależności od dobowego opadu
Fig. 3. Change of turbidity, BOD5 and COD concentration, depending on daily precipitation
Analiza przedstawionego na powyższych rysunkach zestawienia wykresów przebiegu
zmienności wartości zanieczyszczeń ścieków deszczowych w funkcji czasu z dobowymi
sumami wysokości opadu atmosferycznego na badanej zlewni pokazuje wyraźną zależność
pomiędzy ilością wody opadowej trafiającej na powierzchnię zlewni a stężeniem
zanieczyszczeń.
Tabela 1 zawiera zestawienie współczynników korelacji dla analizowanych
wskaźników zanieczyszczeń ścieków. Najwyższe powiązanie pomiędzy testowanymi
grupami, sięgające R = 0,82÷0,94 (korelacja może zostać uznana za silną), zaobserwowano
dla zawiesiny łatwoopadającej i mętności, zawiesiny łatwoopadającej i ChZT oraz -NO2
i -NO3. Dodatkowo, zaobserwowano szereg korelacji wyraźnych, w tym także o przebiegu
odwrotnym, tzn. wzrost wartości jednej zmiennej koreluje ze zmniejszaniem się wartości
drugiej. Ma to miejsce na przykład w przypadku stężenia tlenu oraz poziomu wskaźników
zanieczyszczeń.
Tabela 1
Współczynniki korelacji
Table 1
Correlation coefficients
Zmienna
Mętność
Zawiesina
łatwoopad.
BZT5
ChZT
O2
pH
-NO2
-NO3
BZT5
-
Zawiesina
łatwoopad.
[mg]
0,94
0,94
-
0,72
0,74
-0,63
n
n
n
0,74
0,82
-0,64
-0,5
0,49
0,53
Mętność
[NTU]
ChZT
pH
[-]
NO2
NO3
3
[mg O2/dm ]
O2
[cm3]
0,72
0,74
-0,63
n
n
n
0,74
0,82
-0,64
-0,5
0,49
0,53
0,26
-0,77
-0,29
0,66
0,60
0,26
-0,31
-0,49
0,21
0,33
-0,77
-0,31
n
n
n
-0,29
-0,49
n
-0,64
-0,75
0,66
0,21
n
-0,64
0,93
0,60
0,33
n
-0,75
0,93
-
[mg/dm3]
Stężenia zanieczyszczeń w ściekach deszczowych dla wybranej zlewni miasta Lublin
729
W tabeli 1 korelacje tej samej zmiennej oznaczono jako „-”, korelacje nieokreślone
jako „n”, wyróżniono natomiast istotne statystycznie współczynniki korelacji wyznaczone
dla poziomu prawdopodobieństwa (ufności) p < 0,05.
Podsumowanie
Przeprowadzone obserwacje zmienności wybranych charakterystyk jakościowych wód
deszczowych zrzucanych do rzeki Bystrzycy z badanej zlewni miejskiej miasta Lublina
wykazały łatwą do zaobserwowania zależność pomiędzy wysokością opadu
atmosferycznego a wartościami stężeń analizowanych wskaźników zanieczyszczeń.
Najwyższe przyrosty wskaźników zanieczyszczeń wywołane wystąpieniem opadów
zaobserwowano dla mętności, zawiesiny łatwoopadającej, BZT5 i ChZT.
Wykonana analiza statystyczna, mająca na celu porównanie przebiegu zmienności
w czasie funkcji opisujących wartości omawianych wskaźników zanieczyszczeń wykazała
występowanie, wśród korelacji istotnych statystycznie, szeregu silnych powiązań pomiędzy
dwiema zmiennymi (np.: zawiesina łatwoopadająca - mętność, zawiesina łatwoopadająca ChZT oraz NO2 - NO3) oraz szeregu związków wyraźnych, np. mętność - BZT5, mętność ChZT, w tym także korelacji ujemnych, np.: BZT5 - stężenie O2, pH - NO3.
Przeprowadzone badania mogą stanowić pierwszy krok w budowie numerycznego
modelu jakościowego funkcjonowania kanalizacji deszczowej w wybranej zlewni miejskiej
m. Lublin, wymaganego dla miarodajnego prognozowania wpływu ścieków deszczowych
analizowanej zlewni na jakość odbiornika - rzeki Bystrzycy. Dalsze badania, umożliwiające
określenie danych wejściowych oraz pozwalające na kalibrację modelu, będą obejmować
analizę przebiegu zmienności testowanych wskaźników jakościowych w czasie
występowania poszczególnych opadów atmosferycznych.
Podziękowania
Autorzy składają podziękowania członkom Studenckiego Koła Naukowego Inżynierii
Ochrony Środowiska: M. Milner, B. Nizioł, J. Rózik, P. Szostak, A. Zaręba, R. Głowienka,
D. Krawiec, A. Stańczak, K. Wierzchoń i B. Güler za pomoc w pobieraniu próbek oraz
realizacji procedur pomiarowych.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
Karnib A, Al-Hajjar J, Boissier D. An expert system to evaluate the sensitivity of urban areas to the
functioning failure of storm drainage networks. Urban Water. 2002;4:43-51.
Jaromin K, Borkowski T, Łagód G, Widomski M. Analiza wpływu rodzaju materiału oraz czasu
i sposobu eksploatacji kolektorów kanalizacji grawitacyjnej na prędkość przepływu ścieków. Proc ECOpole.
2009;3(1):139-145.
Jlilati A, Jaromin K, Widomski M, Łagód G. Charakterystyka osadów w wybranym systemie kanalizacji
grawitacyjnej. Proc ECOpole. 2009;3(1):147-152.
Gasperi J, Gromaire MC, Kafi M, Moilleron R, Chebbo G. Contributions of wastewater, runoff and sewer
deposit erosion to wet weather pollutant loads in combined sewer system. Water Res. 2010;44:5875-5886.
DOI: 10.1016/j.watres.2010.07.008.
Joshi UM, Balasubramanian R. Characteristics and environmental mobility of trace elements in urban runoff.
Chemosphere. 2010;80:310-318. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2010.03.059.
Taebi A, Droste RL. Pollution loads in urban runoff and sanitary wastewater. Sci Total Environ.
2004;327:175-184. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2003.11.015.
730
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
Katarzyna M. Jaromin-Gleń, Marcin K. Widomski, Grzegorz Łagód i Wojciech Mazurek
Gnecco I, Berretta C, Lanza LG, La Barbera P. Storm water pollution in the urban environment of Genoa,
Italy. Atmos Res. 2005;77:60-73. DOI: 10.1016/j.atmosres.2004.10.017.
Soonthornnonda P, Christensen ER. Source apportionment of pollutants and flows of combined sewer
wastewater. Water Res. 2008;42:1989 - 1998. DOI: 10.1016/j.watres.2007.11.034.
Ramowa Dyrektywa Wodna EU 2000/60/EC.
Lindholm OG, Nordeide T. Relevance of some criteria for sustainability in a project for disconnecting of
storm runoff. Environ. Impact Assess Rev. 2000;20:413-423.
Villarreal EL, Semadeni-Davies A, Bengtsson L. Inner city stormwater control using a combination of best
management practices. Ecol Eng. 2004;22:279-298. DOI: 10.1016/j.ecoleng.2004.06.007.
Goonetilleke A, Thomas E, Ginn S, Gilbert D. Understanding the role of land use in urban stormwater
quality management. J Environ Manage. 2005;74:31-42. DOI: 10.1016/j.jenvman.2004.08.006.
Brezonik PL, Stadelmann TH. Analysis and predictive models of stormwater runoff volumes, loads and
pollutant concentrations from watersheds in the Twin Cities metropolitan area, Minnesota, USA. Water Res.
2002;36:1743-1757. DOI: 10.1016/S0043-1354(01)00375-X.
Temprano J, Arango O, Cagiao J, Suárez J, Tejero I. Stormwater quality calibration by SWMM: A case
study in Northern Spain. Water S.A. 2006;32(1):55-63.
Cambez MJ, Pinho J, David LM. Using SWMM 5 in the continuous modelling of stormwater hydraulics and
quality. Methods. 2008:1-10. (11th International Conference on Urban Drainage, Edinburgh, Scotland, UK;
2008).
Wang L, Wei J, Huang Y, Wang G, Maqsood I. Urban nonpoint source pollution buildup and
washoff models for simulating storm runoff quality in the Los Angeles County. Environ Pollut.
2011;159(7):1932-1940. DOI: 10.1016/j.envpol.2011.03.019.
Gajuk D, Widomski MK, Musz A, Łagód G. Modelowanie numeryczne w ilościowej i jakościowej ocenie
możliwości rozbudowy sieci kanalizacji deszczowej. Proc ECOpole. 2011;5(1):209-215.
Widomski MK, Musz A, Gajuk D, Łagód G. Numerical modeling in quantitative and qualitative
analysis of storm sewage system extension. Ecol Chem Eng A. 2012;19(4-5):471-481. DOI:
10.2428/ecea.2012.19(04)049.
CONCENTRATIONS OF POLLUTANTS IN STORM WASTEWATER
FOR SELECTED CATCHMENT IN LUBLIN, POLAND
1
Faculty of Environmental Engineering, Lublin University of Technology
2
Institute of Agrophysics, Polish Academy of Sciences, Lublin
Abstract: Numerical modelling of storm wastewater quality becomes a very popular and useful tool in assessment
of surface water runoff from urban areas impact on water bodies of sewage receivers, usually the rivers. However,
reliability of qualitative numerical calculations results depends directly on the gathered input data to modeling and
successful calibration of the developed model. Necessary input data cover description of the modeled rainfall
event and coefficients for empirical equations describing pollutants buildup and washoff, while measurements of
selected pollutants are required to model calibration. This paper presents analysis of pollutants concentration in
storm wastewater discharged to the Bystrzyca River from the drainage system of Muzyczna St. basin, Lublin,
Poland during the selected recent rainfall event in summer of 2011. The description of selected basin and
characteristics of studied rainfall event were presented. Qualitative measurements of storm wastewater discharged
from drainage system conducted in our research covered COD, BOD, turbidity, color, TSS, RSS, O2
concentration, temperature and pH. Changes of sewage quality in respect to various phases of rainfall event
development were discussed. The presented results of measurements are the first step in model development and
its calibration, required to successfully predict influence of discharged storm wastewater on quality of sewage
receiver water body.
Keywords: quality of storm wastewater, pollution indicators, storm water drainage, numerical modeling